摘 要： 針對TI的TMS320C6000系列DSP芯片網(wǎng)絡系統(tǒng)進行設計，對比OSI模型闡述了NDK的TCP/IP模型，并給出了網(wǎng)絡硬件接口設計。根據(jù)NDK結(jié)構(gòu)模型，設計網(wǎng)絡軟件編程。對從事DSP網(wǎng)絡設計的人員有一定指導作用。
關鍵詞： DSP；NDK；TCP/IP；STACK
由于網(wǎng)絡的高速發(fā)展，嵌入式平臺上的網(wǎng)絡通信已經(jīng)成為一個必要的通信模塊。TI公司( Texas Instruments)的C6000系列DSP芯片有很多都在其片上集成了以太網(wǎng)接口，如TMS320C6747、TMS320C6748等。結(jié)合配套的TCP/IP協(xié)議棧，可使基于數(shù)字信號處理技術的因特網(wǎng)終端的網(wǎng)絡連接成本降低50%以上。而此協(xié)議棧與NDK（Network Developer's Kit）結(jié)合在一起使用，可以縮短軟件開發(fā)周期。
本文針對TMS320C6748芯片，對其網(wǎng)絡硬件進行設計，并基于NDK進行網(wǎng)絡軟件設計。
1 網(wǎng)絡模型
國際標準化組織（ISO）于20世紀70年代提出了開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI（Open System Interconnection Reference Model），旨在使各種計算機在世界范圍內(nèi)互聯(lián)的網(wǎng)絡標準框架。它劃分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層7個層次。物理層定義了所有電子及物理設備的規(guī)范，其中特別定義了設備與物理媒介之間的關系，包括了針腳、電壓、線纜規(guī)范、集線器、中繼器、網(wǎng)卡、主機適配器(在SAN中使用的主機適配器)以及其他設備的設計定義; 數(shù)據(jù)鏈路層的功能在于管理物理層的比特數(shù)據(jù)，并且將正確的數(shù)據(jù)傳送到?jīng)]有傳輸錯誤的路線中；網(wǎng)絡層為數(shù)據(jù)傳送的目的地尋址，再選擇出傳送數(shù)據(jù)的最佳路線；傳輸層用于控制數(shù)據(jù)流量，并且進行調(diào)試及錯誤處理，以確保通信順利。而傳送端的傳輸層會為分組加上序號，方便接收端把分組重組為有用的數(shù)據(jù)或文件；會話層用于為通信雙方制定通信方式，并創(chuàng)建、注銷會話(雙方通信)；表示層能為不同的客戶端提供數(shù)據(jù)和信息的語法轉(zhuǎn)換內(nèi)碼，使系統(tǒng)能解讀成正確的數(shù)據(jù)。同時，也能提供壓縮解壓、加密解密；應用層能與應用程序界面溝通，以達到展示給用戶的目的，常見的協(xié)定有HTTP、HTTPS、FTP、TELNET、SSH、SMTP和POP3等。
OSI是一個定義良好的協(xié)議規(guī)范集，但過于龐大復雜。因此，DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)開發(fā)了TCP/IP模型，它采用更少的層（主要是把應用層、表示層、會話層合并為應用層），更適應現(xiàn)實的協(xié)議。OSI模型與TCP/IP模型對比如圖1所示。
2 硬件設計
2.1 模塊介紹
TMS320C6748的網(wǎng)絡模塊主要包括EMAC控制模塊、EMAC模塊和MDIO模塊，其網(wǎng)絡功能模塊圖如圖2所示。
EMAC控制模塊是設備處理器與EMAC、MDIO模塊之間的主要接口，它控制網(wǎng)絡設備的中斷并采用8 KB的內(nèi)部RAM來容納EMAC緩沖區(qū)描述符（CPPIRAM）。
MDIO模塊的全稱是數(shù)據(jù)輸入/輸出管理模塊(Management Data Input/Output Module)，采用802.3串行管理接口來查詢和控制多達32個使用共享雙總線的以太網(wǎng)PHY設備。主機軟件通過MDIO模塊配置每個基于EMAC模塊的物理層自適應參數(shù)，檢索自適應參數(shù)的值,并且配置使EMAC模塊正常運作的參數(shù)。概括地說,MDIO模塊負責管理與EMAC相連的所有PHY芯片,包括對PHY芯片進行枚舉、配置和器件狀態(tài)檢測等。
EMAC模塊的全稱是以太網(wǎng)媒體訪問控制模塊(Ethernet Media Access Controller Module)，它提供處理器與網(wǎng)絡之間的高效接口，負責以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。TMS320C6748上的EMAC模塊支持10 Mb/s和100 Mb/s模式,工作在半雙工或全雙工模式下，同時具有硬件流控制及服務質(zhì)量保證(QoS)支持。
2.2 通信接口硬件電路
TMS320C6748支持媒體獨立接口MII(Media Independent Interface)與簡化媒體獨立接口RMII(Reduced Media Independent Interface)。以MII為例，其接口電路設計如圖3所示。
MII接口信號線定義為：
(1)MII_TXCLK：發(fā)送時鐘信號。所發(fā)送的時鐘是一個連續(xù)的信號，作為發(fā)送操作的定時基準，MII_TXD和MII_
TXEN信號依賴于這個時鐘信號。它由PHY產(chǎn)生，在10/100 Mb/s模式下啟用，當系統(tǒng)工作在10 Mb/s時為2.5 MHz，工作在100 Mb/s時為25 MHz。
(2)MII_TXD[3-0]：發(fā)送數(shù)據(jù)線。包含4條數(shù)據(jù)線，是4位數(shù)據(jù)的集合。其中MTDX0是最低有效位(LSB)。信號根據(jù)MII_TXCLK同步，并且只有當MII_TXEN使能時才有效。
(3)MII_TXEN：發(fā)送使能信號。發(fā)送使能信號表示MII_TXD生成半字節(jié)的數(shù)據(jù)可發(fā)送給PHY，由MII_TXCLK信號線驅(qū)動。
(4)MII_COL：網(wǎng)絡沖突監(jiān)測信號。在半雙工模式下，當檢測到網(wǎng)絡上的沖突時該位被置位，它會一直保持直到?jīng)_突消除，并且該信號不一定與MII_TXCLK和MII_
RXCLK同步。在全雙工模式下，該位被用于硬件流量傳輸?shù)目刂?。當該位有效時，停止數(shù)據(jù)的傳輸，如果數(shù)據(jù)包正在傳輸?shù)倪^程中，將完成本次傳輸。如果該位被設置為低電平，將不啟用硬件流量傳輸控制。
(5)MII_CRS：載波感應信號。在半雙工模式下，如果PHY正在發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，該位會被置位。同樣它與MII_TXCLK、 MII_RXCLK不同步。在全雙工模式下，MII_CRS應保持低電平。
(6)MII_RXCLK：接收時鐘信號。接收時鐘也是一個連續(xù)的信號，作為接收操作的定時基準，MII_RXD和MII_RXEN信號都依賴于這個時鐘信號。它是由PHY產(chǎn)生，在10/100 Mb/s模式下啟用,當系統(tǒng)工作在10 Mb/s時為2.5 MHz，工作在100 Mb/s時為25 MHz。
(7)MII_RXD[3-0]：接收數(shù)據(jù)線。
(8)MII_RXDV：接收數(shù)據(jù)使能。
(9)MII_RXER：接收出錯信號。
(10)MDIO_CLK：MDIO時鐘。MDIO的數(shù)據(jù)源于系統(tǒng)模塊MDIO。該時鐘頻率由MDIO控制寄存器的CLKDIV位來設置。
(11)MDIO_D：管理數(shù)據(jù)輸入輸出。
3 軟件設計
3.1 NDK結(jié)構(gòu)介紹
網(wǎng)絡開發(fā)者套件（NDK）是一個開發(fā)TI嵌入式處理器網(wǎng)絡應用平臺，但目前僅限于TMS320C6000 DSP系列和ARM處理器。NDK的設計目的是為開發(fā)者提供一個完整的TCP/IP功能環(huán)境，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)難度。NDK通過編程接口與本地操作系統(tǒng)(DSP/BIOS)和底層硬件相互隔離，如圖4所示[1]。本地操作系統(tǒng)(DSP/BIOS)被抽象成一個操作系統(tǒng)適應層(OS Adaptation Layer)，底層硬件被抽象成一個硬件抽象層(Hardware Abstraction Layer)，兩個抽象層的函數(shù)庫分別為OS.LIB 和HAL.LIB，它們是NDK與本地操作系統(tǒng)和底層硬件的接口[2]。圖5為TCP/IP協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)[3]。
STACK庫是主要的TCP/IP網(wǎng)絡功能庫，它包括了從底層鏈路層到上層套接口層的所有功能，該庫基于DSP/BIOS操作系統(tǒng)。NETCTRL庫在整個協(xié)議棧中起關鍵作用，協(xié)調(diào)操作系統(tǒng)和底層硬件驅(qū)動，管理所有網(wǎng)絡事件。NETTOOL庫提供配置網(wǎng)絡的各種服務[4]。
3.2 NDK編程設計
在網(wǎng)絡程序執(zhí)行之前，需對開發(fā)平臺進行板極初始化，并對網(wǎng)絡寄存器進行配置，將其作為一個鉤子函數(shù)，在DSP啟動時加載。而TCP/IP協(xié)議棧需要設置成一個主線程，并設置較高的優(yōu)先級等級（可設置成等級5）。初始化及線程任務設置需要在DSP/BIOS中添加。要調(diào)用NDK庫中函數(shù)，需要添加以下庫：stack.lib、hal_timer_
bios5.lib、hal_ser_stub.lib、 hal_userled_stub.lib、os_bios5.lib、nettool.lib、netctrl.lib、miniPrintf.lib以及板極驅(qū)動庫[3]。
在主線程中，TCP/IP協(xié)議棧需要首先進行配置并初始化，具體步驟如下：
(1)分配一個網(wǎng)絡參數(shù)配置，主要包括主機名、IP地址、網(wǎng)關、子網(wǎng)掩碼、域名和DNS服務器地址等。
(2)調(diào)用NETCTRL 庫函數(shù)NC_SystemOpen( )，并用Cfg-
New( )函數(shù)創(chuàng)建一個新的配置。
(3)調(diào)用一個配置入口函數(shù)，將第一步中分配的網(wǎng)絡參數(shù)添加進去。如：
CfgAddEntry(hCfg，CFGTAG_SYSINFO，CFGITEM_DHCP_
HOSTNAME，0，strlen(HostName)，(UINT8 *)HostName，0)；
經(jīng)過以上步驟，TCP/IP協(xié)議棧配置完成，然后調(diào)用NC_NetStart( )函數(shù)啟動網(wǎng)絡程序。注意，它的返回值是一個關閉代碼。通常該系統(tǒng)的關閉方式會決定協(xié)議棧是否重新啟動(例如改變配置后需要自動重啟)，一般有以下代碼：
do
{
rc=NC_NetStart(hCfg，NetworkOpen，NetworkClose，
NetworkIPAddr)；
} while(rc>0)；
如果返回值大于0就重新啟動網(wǎng)絡。其中NetworkOpen函數(shù)的功能是設置網(wǎng)絡協(xié)議、連接端口號、連接數(shù)以及網(wǎng)絡連接時的回調(diào)函數(shù)?？膳渲萌缦拢?br />
static void NetworkOpen()
{
hdsp_tcp=DaemonNew(SOCK_STREAMNC，0，3350，
dtask_tcp，OS_TASKPRINORM，OS_TASKSTKNORM，0，3)；
}
在工程設計中，如果需要多線程使用網(wǎng)絡收發(fā)數(shù)據(jù)，需要在線程中共享網(wǎng)絡文件描述符，這樣在新線程中可以像在網(wǎng)絡主線程中一樣使用recv( )和send( )函數(shù)來收發(fā)數(shù)據(jù)。一般來說可以使用如下代碼：
fdOpenSession(TaskSelf() )；
fdShare(s)；
另外，TI提供了recvnc( )和recvncfrom( )函數(shù)，不需要拷貝數(shù)據(jù)就能直接接收，使得網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)速率大大提高，特別是網(wǎng)絡吞吐量比較大的應用中效果尤為顯著。如果對發(fā)送和接收緩存區(qū)有要求，需要在網(wǎng)絡回調(diào)函數(shù)中調(diào)用setsockopt( )函數(shù)進行設置[5]。
經(jīng)過測試，基于NDK的DSP網(wǎng)絡運行非常穩(wěn)定、速度快、占用系統(tǒng)資源較少，對于需要在DSP上發(fā)送大量數(shù)據(jù)的場合非常方便。雖然采用NDK開發(fā)DSP網(wǎng)絡有很多優(yōu)點，但必定要占用一定的系統(tǒng)資源，并且優(yōu)先級比較高，因此實時性要求非常高的項目中，應采用其他方案。
參考文獻
[1] Texas Instruments.Getting started with the C6000 network development kit.SPRAAX4[A].2008.
[2] 劉釗江，鄭紅，吳興華，等.基于TIC6000系列DSP的網(wǎng)絡開發(fā)研究[J].儀器儀表用戶，2010，30(3)：60-62.
[3] Texas Instruments.TI network developer′s kit(NDK) v2.21 User′s Guide.SPRU523H[A].2012.
[4] 梁迅.基于NDK的DSP網(wǎng)絡編程[J].計算技術與自動化，2005，24(9)：79-81.
[5] Texas Instruments.TI network developer′s kit(NDK) v2.21 API Reference Guide.SPRU524H[A].2012.